右值引用

為了解決移動語義及完美轉發(fā)問題，C++11標準引入了右值引用（rvalue reference）這一重要的新概念。右值引用采用T&&這一語法形式，比傳統(tǒng)的引用T&（如今被稱作左值引用 lvalue reference）多一個&。

如果把經(jīng)由T&&這一語法形式所產(chǎn)生的引用類型都叫做右值引用，那么這種廣義的右值引用又可分為以下三種類型：

• 無名右值引用
• 具名右值引用
• 轉發(fā)型引用

無名右值引用和具名右值引用的引入主要是為了解決移動語義問題。

轉發(fā)型引用的引入主要是為了解決完美轉發(fā)問題。 

無名右值引用

無名右值引用（unnamed rvalue reference）是指由右值引用相關操作所產(chǎn)生的引用類型。

無名右值引用主要通過返回右值引用的類型轉換操作產(chǎn)生， 其語法形式如下：

static_cast<T&&>(t)

標準規(guī)定該語法形式將把表達式 t 轉換為T類型的無名右值引用。

無名右值引用是右值，標準規(guī)定無名右值引用和傳統(tǒng)的右值一樣具有潛在的可移動性，即它所占有的資源可以被移動（竊?。?nbsp;

std::move()

由于無名右值引用是右值，借助于類型轉換操作產(chǎn)生無名右值引用這一手段，左值表達式就可以被轉換成右值表達式。為了便于利用這一重要的轉換操作，標準庫為我們提供了封裝這一操作的函數(shù)，這就是std::move()。

假設左值表達式 t 的類型為T&，利用以下函數(shù)調用就可以把左值表達式 t 轉換為T類型的無名右值引用（右值，類型為T&&）。
std::move(t)

具名右值引用

如果某個變量或參數(shù)被聲明為T&&類型，并且T無需推導即可確定，那么這個變量或參數(shù)就是一個具名右值引用（named rvalue reference）。

具名右值引用是左值，因為具名右值引用有名字，和傳統(tǒng)的左值引用一樣可以用操作符&取地址。

與廣義的右值引用相對應，狹義的右值引用僅限指具名右值引用。

傳統(tǒng)的左值引用可以綁定左值，在某些情況下也可綁定右值。與此不同的是，右值引用只能綁定右值。

右值引用和左值引用統(tǒng)稱為引用（reference），它們具有引用的共性，比如都必須在初始化時綁定值，都是左值等等。

struct X {}; 
X a; 
X&& b = static_cast<X&&>(a); 
X&& c = std::move(a); 
//static_cast<X&&>(a) 和 std::move(a) 是無名右值引用，是右值 
//b 和 c 是具名右值引用，是左值 
X& d = a; 
X& e = b; 
const X& f = c; 
const X& g = X(); 
X&& h = X(); 
//左值引用d和e只能綁定左值（包括傳統(tǒng)左值：變量a以及新型左值：右值引用b） 
//const左值引用f和g可以綁定左值（右值引用c），也可以綁定右值（臨時對象X()） 
//右值引用b，c和h只能綁定右值（包括新型右值：無名右值引用std::move(a)以及傳統(tǒng)右值：臨時對象X()） 

左右值重載策略

有時我們需要在函數(shù)中區(qū)分參數(shù)的左右值屬性，根據(jù)參數(shù)左右值屬性的不同做出不同的處理。適當?shù)夭捎米笥抑抵剌d策略，借助于左右值引用參數(shù)不同的綁定特性，我們可以利用函數(shù)重載來做到這一點。常見的左右值重載策略如下：

struct X {}; 
//左值版本 
void f(const X& param1){/*處理左值參數(shù)param1*/} 
//右值版本 
void f(X&& param2){/*處理右值參數(shù)param2*/} 
X a; 
f(a);      //調用左值版本 
f(X());     //調用右值版本 
f(std::move(a)); //調用右值版本 

即在函數(shù)重載中分別重載const左值引用和右值引用。

重載const左值引用的為左值版本，這是因為const左值引用參數(shù)能綁定左值，而右值引用參數(shù)不能綁定左值。

重載右值引用的為右值版本，這是因為雖然const左值引用參數(shù)和右值引用參數(shù)都能綁定右值，但標準規(guī)定右值引用參數(shù)的綁定優(yōu)先度要高于const左值引用參數(shù)。

移動構造器和移動賦值運算符

在類的構造器和賦值運算符中運用上述左右值重載策略，就會產(chǎn)生兩個新的特殊成員函數(shù)：移動構造器（move constructor）和移動賦值運算符（move assignment operator）。

struct X 
{ 
  X();             //缺省構造器 
  X(const X& that);      //拷貝構造器 
  X(X&& that);         //移動構造器 
  X& operator=(const X& that); //拷貝賦值運算符 
  X& operator=(X&& that);   //移動賦值運算符 
}; 
X a;               //調用缺省構造器 
X b = a;             //調用拷貝構造器 
X c = std::move(b);       //調用移動構造器 
b = a;              //調用拷貝賦值運算符 
c = std::move(b);        //調用移動賦值運算符 

移動語義

無名右值引用和具名右值引用的引入主要是為了解決移動語義問題。

移動語義問題是指在某些特定情況下（比如用右值來賦值或構造對象時）如何采用廉價的移動語義替換昂貴的拷貝語義的問題。

移動語義（move semantics）是指某個對象接管另一個對象所擁有的外部資源的所有權。移動語義需要通過移動（竊?。┢渌?/p>

對象所擁有的資源來完成。移動語義的具體實現(xiàn)（即一次that對象到this對象的移動（move））通常包含以下若干步驟：

• 如果this對象自身也擁有資源，釋放該資源
• 將this對象的指針或句柄指向that對象所擁有的資源
• 將that對象原本指向該資源的指針或句柄設為空值

上述步驟可簡單概括為①釋放this（this非空時）②移動that

移動語義通常在移動構造器和移動賦值運算符中得以具體實現(xiàn)。兩者的區(qū)別在于移動構造對象時this對象為空因而①釋放this無須進行。

與移動語義相對，傳統(tǒng)的拷貝語義（copy semantics）是指某個對象拷貝（復制）另一個對象所擁有的外部資源并獲得新生資源的所有權?？截愓Z義的具體實現(xiàn)（即一次that對象到this對象的拷貝（copy））通常包含以下若干步驟：

• 如果this對象自身也擁有資源，釋放該資源
• 拷貝（復制）that對象所擁有的資源
• 將this對象的指針或句柄指向新生的資源
• 如果that對象為臨時對象（右值），那么拷貝完成之后that對象所擁有的資源將會因that對象被銷毀而即刻得以釋放
  

上述步驟可簡單概括為①釋放this（this非空時）②拷貝that③釋放that（that為右值時）
拷貝語義通常在拷貝構造器和拷貝賦值運算符中得以具體實現(xiàn)。兩者的區(qū)別在于拷貝構造對象時this對象為空因而①釋放this無須進行。

比較移動語義與拷貝語義的具體步驟可知，在賦值或構造對象時，

如果源對象that為左值，由于兩者效果不同（移動that ≠ 拷貝that），此時移動語義不能用來替換拷貝語義。

如果源對象that為右值，由于兩者效果相同（移動that ＝ 拷貝that ＋ 釋放that），此時廉價的移動語義（通過指針操作來移動資源）便可以用來替換昂貴的拷貝語義（生成，拷貝然后釋放資源）。

由此可知，只要在進行相關操作（比如賦值或構造）時，采取適當?shù)淖笥抑抵剌d策略區(qū)分源對象的左右值屬性，根據(jù)其左右值屬性分別采用拷貝語義和移動語義，移動語義問題便可以得到解決。

下面用MemoryBlock這個自我管理內存塊的類來具體說明移動語義問題。

#include <iostream> 
class MemoryBlock 
{ 
public: 
  // 構造器（初始化資源） 
  explicit MemoryBlock(size_t length) 
    : _length(length) 
    , _data(new int[length]) 
  { 
  } 
  // 析構器（釋放資源） 
  ~MemoryBlock() 
  { 
    if (_data != nullptr) 
    { 
      delete[] _data; 
    } 
  } 
  // 拷貝構造器（實現(xiàn)拷貝語義：拷貝that） 
  MemoryBlock(const MemoryBlock& that) 
    // 拷貝that對象所擁有的資源 
    : _length(that._length) 
    , _data(new int[that._length]) 
  { 
    std::copy(that._data, that._data + _length, _data); 
  } 
  // 拷貝賦值運算符（實現(xiàn)拷貝語義：釋放this ＋ 拷貝that） 
  MemoryBlock& operator=(const MemoryBlock& that) 
  { 
    if (this != &that) 
    { 
      // 釋放自身的資源 
      delete[] _data; 
      // 拷貝that對象所擁有的資源 
      _length = that._length; 
      _data = new int[_length]; 
      std::copy(that._data, that._data + _length, _data); 
    } 
    return *this; 
  } 
  // 移動構造器（實現(xiàn)移動語義：移動that） 
  MemoryBlock(MemoryBlock&& that) 
    // 將自身的資源指針指向that對象所擁有的資源 
    : _length(that._length) 
    , _data(that._data) 
  { 
    // 將that對象原本指向該資源的指針設為空值 
    that._data = nullptr; 
    that._length = 0; 
  } 
  // 移動賦值運算符（實現(xiàn)移動語義：釋放this ＋ 移動that） 
  MemoryBlock& operator=(MemoryBlock&& that) 
  { 
    if (this != &that) 
    { 
      // 釋放自身的資源 
      delete[] _data; 
      // 將自身的資源指針指向that對象所擁有的資源 
      _data = that._data; 
      _length = that._length; 
      // 將that對象原本指向該資源的指針設為空值 
      that._data = nullptr; 
      that._length = 0; 
    } 
    return *this; 
  } 
private: 
  size_t _length; // 資源的長度 
  int* _data; // 指向資源的指針，代表資源本身 
}; 
MemoryBlock f() { return MemoryBlock(50); } 
int main() 
{ 
  MemoryBlock a = f();      // 調用移動構造器，移動語義 
  MemoryBlock b = a;       // 調用拷貝構造器，拷貝語義 
  MemoryBlock c = std::move(a);  // 調用移動構造器，移動語義 
  a = f();            // 調用移動賦值運算符，移動語義 
  b = a;             // 調用拷貝賦值運算符，拷貝語義 
  c = std::move(a);        // 調用移動賦值運算符，移動語義 
} 

轉發(fā)型引用

如果某個變量或參數(shù)被聲明為T&&類型，并且T需要經(jīng)過推導才可確定，那么這個變量或參數(shù)就是一個轉發(fā)型引用（forwarding reference）。

轉發(fā)型引用由以下兩種語法形式產(chǎn)生

• 如果某個變量被聲明為auto&&類型，那么這個變量就是一個轉發(fā)型引用
  
• 在函數(shù)模板中，如果某個參數(shù)被聲明為T&&類型，并且T是一個需要經(jīng)過推導才可確定的模板參數(shù)類型，那么這個參數(shù)就是一個轉發(fā)型引用

轉發(fā)型引用是不穩(wěn)定的，它的實際類型由它所綁定的值來確定。轉發(fā)型引用既可以綁定左值，也可以綁定右值。如果綁定左值，轉發(fā)型引用就成了左值引用。如果綁定右值，轉發(fā)型引用就成了右值引用。
轉發(fā)型引用在被C++標準所承認之前曾經(jīng)被稱作萬能引用（universal reference）。萬能引用這一術語的發(fā)明者，Effective C++系列的作者Scott Meyers認為，如此異常靈活的引用類型不屬于右值引用，它應該擁有自己的名字。

對于某個轉發(fā)型引用類型的變量（auto&&類型）來說

• 如果初始化表達式為左值（類型為U&），該變量將成為左值引用（類型為U&）。
• 如果初始化表達式為右值（類型為U&&），該變量將成為右值引用（類型為U&&）。

對于函數(shù)模板中的某個轉發(fā)型引用類型的形參（T&&類型）來說

• 如果對應的實參為左值（類型為U&），模板參數(shù)T將被推導為引用類型U&，該形參將成為左值引用（類型為U&）。
• 如果對應的實參為右值（類型為U&&），模板參數(shù)T將被推導為非引用類型U，該形參將成為右值引用（類型為U&&）。
  

struct X {}; 
X&& var1 = X();              // var1是右值引用，只能綁定右值X() 
auto&& var2 = var1;            // var2是轉發(fā)型引用，可以綁定左值var1 
                      // var2的實際類型等同于左值var1，即X& 
auto&& var3 = X();             // var3是轉發(fā)型引用，可以綁定右值X() 
                      // var3的實際類型等同于右值X()，即X&& 
template<typename T> 
void g(std::vector<typename T>&& param1); // param1是右值引用 
template<typename T> 
void f(T&& param2);            // param2是轉發(fā)型引用 
X a; 
f(a);        // 模板函數(shù)f()的形參param2是轉發(fā)型引用，可以綁定左值a 
           // 在此次調用中模板參數(shù)T將被推導為引用類型X& 
           // 而形參param2的實際類型將等同于左值a，即X& 
f(X());       // 模板函數(shù)f()的形參param2是轉發(fā)型引用，可以綁定右值X() 
           // 在此次調用中模板參數(shù)T將被推導為非引用類型X 
           // 而形參param2的實際類型將等同于右值X()，即X&& 
// 更多右值引用和轉發(fā)型引用 
const auto&& var4 = 10;              // 右值引用 
template<typename T> 
void h(const T&& param1);             // 右值引用 
template <typename T/*, class Allocator = allocator*/> 
class vector 
{ 
public: 
  void push_back( T&& t );           // 右值引用 
  template <typename Args...> 
  void emplace_back( Args&&... args );     // 轉發(fā)型引用 
}; 

完美轉發(fā)

完美轉發(fā)（perfect forwarding）問題是指函數(shù)模板在向其他函數(shù)轉發(fā)（傳遞）自身參數(shù)（形參）時該如何保留該參數(shù)（實參）的左右值屬性的問題。也就是說函數(shù)模板在向其他函數(shù)轉發(fā)（傳遞）自身形參時，如果相應實參是左值，它就應該被轉發(fā)為左值；同樣如果相應實參是右值，它就應該被轉發(fā)為右值。這樣做是為了保留在其他函數(shù)針對轉發(fā)而來的參數(shù)的左右值屬性進行不同處理（比如參數(shù)為左值時實施拷貝語義；參數(shù)為右值時實施移動語義）的可能性。如果將自身參數(shù)不分左右值一律轉發(fā)為左值，其他函數(shù)就只能將轉發(fā)而來的參數(shù)視為左值，從而失去針對該參數(shù)的左右值屬性進行不同處理的可能性。

轉發(fā)型引用的引入主要是為了解決完美轉發(fā)問題。在函數(shù)模板中需要保留左右值屬性的參數(shù)，也就是要被完美轉發(fā)的參數(shù)須被聲明為轉發(fā)型引用類型，即參數(shù)必須被聲明為T&&類型，而T必須被包含在函數(shù)模板的模板參數(shù)列表之中。按照轉發(fā)型引用類型形參的特點，該形參將根據(jù)所對應的實參的左右值屬性而分別蛻變成左右值引用。但無論該形參成為左值引用還是右值引用，該形參在函數(shù)模板內都將成為左值。這是因為該形參有名字，左值引用是左值，具名右值引用也同樣是左值。如果在函數(shù)模板內照原樣轉發(fā)該形參，其他函數(shù)就只能將轉發(fā)而來的參數(shù)視為左值，完美轉發(fā)任務將會失敗。

#include<iostream> 
using namespace std; 
struct X {}; 
void inner(const X&) {cout << "inner(const X&)" << endl;} 
void inner(X&&) {cout << "inner(X&&)" << endl;} 
template<typename T> 
void outer(T&& t) {inner(t);} 
int main() 
{ 
  X a; 
  outer(a); 
  outer(X()); 
} 
//inner(const X&) 
//inner(const X&) 
std::forward()

要在函數(shù)模板中完成完美轉發(fā)轉發(fā)型引用類型形參的任務，我們必須在相應實參為左值，該形參成為左值引用時把它轉發(fā)成左值，在相應實參為右值，該形參成為右值引用時把它轉發(fā)成右值。此時我們需要標準庫函數(shù)std::forward()。

標準庫函數(shù) std::forward<T>(t) 有兩個參數(shù)：模板參數(shù) T 與 函數(shù)參數(shù) t。函數(shù)功能如下：

• 當T為左值引用類型U&時，t 將被轉換為無名左值引用（左值，類型為U&）。
• 當T為非引用類型U或右值引用類型U&&時，t 將被轉換為無名右值引用（右值，類型為U&&）。

使用此函數(shù)，我們在函數(shù)模板中轉發(fā)類型為T&&的轉發(fā)型引用參數(shù) t 時，只需將參數(shù) t 替換為std::forward<T>(t)即可完成完美轉發(fā)任務。這是因為

• 如果 t 對應的實參為左值（類型為U&），模板參數(shù)T將被推導為引用類型U&，t 成為具名左值引用（類型為U&），std::forward<T>(t)就會把 t 轉換成無名左值引用（左值，類型為U&）。
• 如果 t 對應的實參為右值（類型為U&&），模板參數(shù)T將被推導為非引用類型U，t 成為具名右值引用（類型為U&&），std::forward<T>(t)就會把 t 轉換成無名右值引用（右值，類型為U&&）。

#include<iostream> 
using namespace std; 
struct X {}; 
void inner(const X&) {cout << "inner(const X&)" << endl;} 
void inner(X&&) {cout << "inner(X&&)" << endl;} 
template<typename T> 
void outer(T&& t) {inner(forward<T>(t));} 
int main() 
{ 
  X a; 
  outer(a); 
  outer(X()); 
} 
//inner(const X&) 
//inner(X&&) 

總結

以上所述是小編給大家介紹的C++11右值引用和轉發(fā)型引用教程詳解，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復大家的。在此也非常感謝大家對腳本之家網(wǎng)站的支持！

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